第六讲 综合实例.ppt

1、第六讲 数字中频系统应用实例,电子科技大学：王洪,二次雷达天线原理介绍 二次雷达雷达方程式介绍 二次雷达位置测量原理介绍 二次雷达收发射机基本结构介绍 二次雷达数据录取和目标显示原理介绍 单脉冲二次雷达 二次雷达存在的一些问题和相应解决方法 典型二次雷达系统设备组成,二次雷达原理介绍,二次雷达简介,二次雷达最初的设计目的是用于战时的敌我识别。 60年代初ICAO制定了二次雷达系统的国际标准。1969年提出了单脉冲技术，但直到1983年整套系统才真正投入实际应用。80年代中，国际民航组织给出了S模式的技术标准。 二次雷达的一次目标定位通过两次有源辐射来完成。它能提供目标识别码，高度，方位，距离等

2、重要参数。,二次雷达天线原理介绍,二次雷达天线原理介绍,天线的功能是通过建立一个把能电信号转变成电磁波的结构来实现的，天线通过时变电流在其周围产生一个电磁场来实现电信号传输，接收天线的工作过程正好相反。在许多场合需要使用方向性图较尖锐和增益较高的天线，如点对点通信和雷达，解决的方法是用某种弱方向性的天线按一定的方式排列起来组成天线阵。 天线阵又称为阵列天线或离散天线，用以组成天线阵的天线叫做天线元。由于离散阵列天线各单元的间距、激励幅度和相位可以进行控制以满足不同的方向性需求，如形成所需的方向图、实现扫描或其他的特殊功能，因此得到广泛应用，航管二次雷达就是采用阵列天线,二次雷达天线原理介绍,现

3、代二次雷达天线多采用大口径垂直天线LVA（Large Vertical Aperture Antenna），属开放式阵列天线结构，阵面的孔径为8米1.8米。主要由35个架构于铝质脊梁上的辐射振子组成，射频馈线和功率分配网络密封于脊梁中，垂直辐射振子之间的寄生辐射柱起机械支撑和聚焦前向辐射的作用。每一根辐射振子包含了一个印刷电路板，该印刷电路板上刻了12个偶极子以及用于控制发射和接收信号的幅度和相位的分配网络。这些振子通过汇电环组件，以中心振子（第18根）为对称，两两连接。背面辐射柱由4个偶极子组成，它与中心振子一起，共同形成控制波束。汇电环采用微带线技术制作的，用于以1060MHz波长的1/4

4、为步进进行延迟，选择1060MHz是因为它是1030MHz和1090MHz的中间值。,二次雷达天线原理介绍,二次雷达天线原理介绍,振子分为两组，外围部分和中置部分。在中置部分，从第10个振子到第26个振子，以第18个振子（中心振子）为对称，两两使用一个汇电环，比如17和19使用一个汇电环，16和20使用一个汇电环，一共有8个这样的汇电环，它们包含于中心分路器中（Centre Splitter）。中置部分的振子分配了更大部分的功率，主要负责和询问波束的形成。 外围部分的振子包括左右两处，分别是1到9和27到35，它们分别接到两个外分路器中（Outer Splitter），最后通过同一个汇电环连接

5、。外围部分的振子分配的功率比中置部分的振子要小，作用是使得主波束的旁瓣尽可能小，另外还有一个相对小点的作用是改善控制波束的形状。询问/和波瓣用于发射P1、P3脉冲，在半功率水平波束宽度为2.45，峰值增益至少27dB，旁瓣低于峰值功率26dB以上。,二次雷达天线原理介绍,处于中心位置的第18个振子用于形成控制波束，它有自己的连接网络。控制波束是由装于天线背面的屏蔽器里的4个偶极子和中心垂直辐射振子来产生的。除主瓣方向有一个迅速的凹陷外，基本成一圆形波束形状。还有一小部分控制波束能量通过外分路器送到外围垂直振子，它的相位与主波束的信号相位相反，作用是使控制波束在主波束方向的凹陷更迅速 。,二次雷

6、达天线原理介绍,二次雷达雷达方程式介绍,雷达的最基本任务是探测目标并测量其坐标，作用距离是雷达的重要性能指标，作用距离取决于雷达本身的性能，其中有发射机、接收机、天线等分机的参数，同时又和目标的性质及环境因素有关，雷达方程集中反映了与雷达探测距离有关的因素或环境特性变化时相对距离变化的规律。和一次雷达不同，二次雷达是靠两次有源辐射（询问机和应答机）完成目标定位，所以每个辐射源属于单程传输，同样的辐射功率，它比一次雷达作用距离远，二次雷达方程分成上行（询问）方程和下行（应答）方程。,二次雷达雷达方程式介绍,上行方程 设地面询问机的发射功率为PI，二次雷达天线的询问波瓣的增益为GI，则距离地面询问

7、机天线斜距R处的功率密度为： 上述方程应考虑到如下的损耗： 询问机的发射功率向天线传输过程的损耗L，它主要包括传输电缆和旋转铰链的损耗。 天线波束在-3dB点之间假设为高斯型波束，由于天线增益不同引起的天线调制损耗La。 大气吸收衰减Lp，大气的吸收衰减和大气的密度以及传播的距离有关。,二次雷达雷达方程式介绍,应答机天线截获功率的有效面积为At，则应答机天线接收功率Pt=AtSI，由于 其中Gt为应答机天线增益，I为询问机工作波长，于是： 如果将应答机天线传输到接收机之间的电缆的损耗折合到应答机天线的增益G中去，代表折合的天线增益式为：,二次雷达雷达方程式介绍,二次雷达的距离方程为： 当Pt最

8、小值时得到作用距离Rmax，而Pt最小相当应答机接收机输入端的最小触发电平 ，所以可得：,二次雷达雷达方程式介绍,下行方程 同样分析的方法，可以得到下行方程： Pt为应答机的发射功率，t为询问机工作波长，而PImin询问接收机输入端的最小触发电平。 通常应当保证上行的最大作用距离和下行最大作用距离相匹配，否则当上行距离大于下行距离时，地面站收不到被询问的应答机的应答信号，但是应答机的回答会对它所邻近的地面站成异步干扰。作为航路监视的二次雷达作用距离约为200海里，二次雷达信号在大气传播过程中，由于高度及气压不同，传播的路径引起折射，使二次雷达信号传播向地面弯曲，以至可以收到远距离低于水平面的信

9、号。,二次雷达目标位置测量原理介绍,目标距离测量原理： 测距物理基础：目标反射; 等速直线传播. 用脉冲测距法：测的是斜距离R. 2R = C t 可得 R=C/2 t 式中：t电波在RD与目标间往返传播时间; C=3108 m/s . 通过测t 就能计算出R，即 通过测时来测距。实际在显示器中，已将t 与R作好对应，可直读距离.换算关系： 1s 150m=0.15Km=0.081NM 12.3s 1NM,二次雷达距离测量原理介绍,目标方位测量原理： 目标方位角指正北到雷达与目标联线之夹角。 雷达方位测量的物理基础： 直线传播（微波） 天线定向接收与发射 最大回波法测角： 当天线波束扫过目标时

10、，雷达回波在时间顺序上从无到有，从小大小消失。即天线波束形状对雷达回波幅度进行了调制。 单脉冲二次雷达方位测量同时还使用了OBA查表修正的方法，故目标方位更为精确。,二次雷达距离测量原理介绍,雷达天线是一种定向天线，它在某一瞬间只朝一个方向发射电磁波，而且也只接收同一方向上目标反射的回波。 所以，天线波束方位=目标方向. 只要保证显示器上的扫描线与天线旋转同步， 即扫描线方向=天线方位 即扫描线方位=回波方位 角度采用度或密位表示, 其关系为：360度=6000密位 国外常用角度单位为弧度，度与弧度关系为：1弧度=57度,二次雷达距离测量原理介绍,雷达目标速度测量： 当目标相对于雷达运动后，R

11、不断变，出现 fD(回波相对于发射ft 的频率偏移)，此时， 目标相对于雷达的径向速度为： VR 1/2* * fd 式中 VR目标与雷达的相对（径向）速度（m/s） RD工作波长（m） fd双程多卜勒频率（Hz）,二次雷达距离测量原理介绍,目标高度测量原理： 二次雷达目标高度主要是由飞机通过气压等高度测量手段测出高度，并通过二次雷达C模式应答码编码后发送回询问机而获得的。 C模式编码举例： ALTITUDE A1 A2 A4 B1 B2 B4 C1 C2 C4 D1 D2 D4 6800 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 6040 6900 0 1 1 0 0 0 0 1 1

12、0 0 0 6060 7000 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 6020 7100 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 6030 7200 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 6010,动目标检测原理介绍,首先要说明的是二次雷达中并不使用动目标检测这一手段，动目标检测技术一般使用于一次雷达，天气雷达等需要精确测量目标速度的系统中。 多卜勒效应当发射源和接收者之间有相对运动时，接收到的信号频率将发生变化。近似表示为： f d = + 2v / 多卜勒信息的提取一般在接收机检波器输入端引入发射信号作为基准电压，在检波器输出端即可得到收发频率的差频电压。,动目

13、标检测原理介绍,动目标 检测(MTI)雷达 与普通雷达的区别是利用多卜勒效应来鉴别运动目标回波和固定目标回波。 它主要需要完成以下两项工作： A 获得基准电压（或称相参电压） B 消除固定目标回波,典型二次雷达系统组成,天线驱动系统 询问机系统 控制监视系统 Site Monitor系统（模拟应答机） 雷达维护监视器,二次雷达收发射机基本结构介绍,在空中交通管制二次监视雷达设备技术规范 MH 40102005中对二次雷达的构成作了以下规定： 4.1 组成 二次监视雷达由天线、转台（旋转关节、马达、码盘等）及馈线系统、询问器、点迹录取器和航迹处理器、监控器、维护显示器和测试应答机等组成。 4.2

14、 系统分类 二次雷达监视系统一般分为常规二次监视雷达系统和单脉冲二次监视雷达系统。,二次雷达收发射机基本结构介绍,4.3 一般要求 4.3.1 二次监视雷达系统应符合国际民航组织国际民用航空公约附件10航空电信第四卷第二版（1998 年7 月）的技术要求。 4 .3. 2 组成系统的设备（天馈系统和维护显示器除外）应采用双机配置，能自动切换。设备应能 24 h 连续工作。 4.3.3 组成系统的设备应采用全固态器件和集成电路，并应有相应的正常与故障监视指示。 4.3.4 可靠性、可用性和可维护性 单通道设备配置的条件下，MTBF 应大于1500 小时；双通道配置的条件下，MTBCF 应大于20

15、000 小时。室内设备的MTTR 应小于0.5 小时，室外设备的MTTR 应小于2 小时,二次雷达收发射机基本结构介绍,雷声二次雷达基本结构框图：,二次雷达收发射机基本结构介绍,THALES二次雷达基本结构框图：,二次雷达数据录取和目标显示原理介绍,二次雷达数据处理 每一应答的SDR数值将被检查合法性并对应答的SDR平均值进行计算，通过利用站提供的查表，此平均值被转换为偏离轴向方位值，并与此时的天线方位相加得到应答目标的真实方位，从而与应答码一起确定一个有效应答。 接着的处理是应答相关：应答相关器处理每个应答，把其与现时波瓣宽度内在先前询问中收到的同一目标的应答进行相关，其主要是通过使用距离，

16、方位，编码和高度信息进行相关。,二次雷达数据录取和目标显示原理介绍,在处理后应答信号仍然保留，用于在下一脉冲重复周期内寻找可能的相关（这是初始的应答处理的一部分）。 混合应答和因多路径信号与宽脉冲应答错误引起的复合应答将被识别和去除 多个相关后的同一目标应答将可生成目标报告，在单脉冲二次雷达中三个以上的同一目标相关应答就可构成目标报告。,二次雷达数据录取和目标显示原理介绍,当每个应答被提取时都会作以下检测:,1) I此应答是否已存目标的更新应答?,Yes,Yes,从此处提取并送入目标报告中,No,2)能否与以前未相关的应答进行相关,No,保存于此.并清除此处N次询问而未被相关的应答,应答码、可

17、信度、距离、修正方位、标志等 此文件在每个接收周期内生成并在需要时提取,转下表,当在此的目标已被询问了M次，它将与航迹报告进行比较,应答码、可信度、距离、修正方位、标志等,二次雷达数据录取和目标显示原理介绍,二次雷达数据录取和目标显示原理介绍,雷达目标显示： 雷达目标显示通常有极坐标系和XY坐标系两种，极坐标通常是指PPI（Plan Position Indicator ）显示方式，而我们现在所用的行场扫描方式都是XY坐标系的。 在我们的雷达头系统中，其输出数据也分成了极坐标系和XY坐标系两种，如雷声雷达和THALES雷达就采用极坐标系，而ALENIA雷达采用的是XY坐标系。,一、二次雷达比较

18、,发射功率 干扰杂波 对于目标闪烁现象 方位精度 高度精度 提供的信息,传统二次雷达滑窗检测,传统二次雷达缺点,测角存在偏差，且测角精度不高 不能区分真实回波和反射回波 存在窜扰时，无法区分三个以上目标的重叠 应答,单脉冲技术,单脉冲测角技术能够有效地解决滑窗点迹录取技术的 一些问题。主要是通过引入一个用于接收的差通道，通过比 较和、差通道信号，得到和差比（SDR），与此值对应的 角度可形成OBA（off boresight）信息。天线视轴角度加上 OBA值就可得出目标方位。理论上一个应答脉冲就可以得 出目标方位，所以称为单脉冲技术，但实际应用中为保证方 位的准确性，而使用几个应答脉冲。,单脉

19、冲技术,单脉冲技术,单脉冲技术,单脉冲技术,典型OBA表,二次雷达的工作方式,二次雷达的询问模式,二次雷达的询问模式,二次雷达询问模式,A/C脉冲增量间隔误差：0.1s 上升时间：0.01-0.1s 下降时间：0.05-0.2s 脉冲幅度误差：1dB,飞机的应答编码,Mode C,A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4 D1D2D4,Mode A,D1D2D4 A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4,高度码变化递增量：100ft（英尺）,飞机的应答编码,应答编码举例,时间灵敏度控制（STC）,框架脉冲检测,框架脉冲检测,二次雷达存在的一些问题 及相应的解决方法,询问及接收的旁瓣抑制 异步干

20、扰 应答交迭 反射 目标被锁定 二次环绕 脉冲重复频率的要求 群俘获 模式A编码局限,水平极化图,异步干扰,应答交迭,反 射,反 射,目标被锁定,脉冲重复频率,脉冲重复频率的选择应当考虑雷达的作用距离。 脉冲重复频率的降低会影响某些二次雷达设备的处理能力。 脉冲重复频率还受到自身工作体制的限制。 应答机本身就存在一个能承受的最大回答率的问题。,群俘获,在多个地面站的情况下，由于大量的目标处 于二次雷达询问波束的旁瓣周围。当地面站主瓣 询问时，旁瓣附近目标的应答机受询问的旁瓣抑 制的作用被抑制一段时间。这种现象在二次雷达 常称为“群俘获”现象。在这段时间内，其中的目标 被其它的二次雷达地面站询问

21、，该目标的应答机 不予回答，也造成回答信息的丢失。,模式A编码局限,每个飞机的应答编码由4个八进制值组成，要通过多个天线转动周期来识别和组成应答报告。 由于12位脉冲最多只能表示4096个编码，当飞机流量上升时可能不能满足分配要求。,S模式原理介绍,二次雷达S模式的介绍： 概述： S模式是基于模式A/C询问与应答的传统二次监视雷达的一次革新，S模式通过全球唯一的24位飞机地址来标识每一架飞机，同时可有选择性地进行询问以寻址每架唯一的飞机而无需在整个天线波瓣内进行广播询问。 一台S模式的雷达不但能进行监视（如标准二次雷达那样输出飞机方位），同时也具有数据链的功能。如它能接收和发送二进制数据包，数

22、据链只能建立于通过监视处理而确立航迹的飞机于雷达之间。从使用角度看，雷达的监视处理是放在第一位的，这种目标的侦测与传输相应信息是不会因数据链的原因的降级使用的 为能提供二次雷达的标准功能，ICAO对S模式下的数据网络进行了标准化。其指出：使用S模式数据链功能的地空数据网应与ATN网兼容。但同时该数据链也能提供非ATN网的服务。 * ATN : Aeronautical Telecommunications Network,S模式原理介绍,基本的监视功能： 对雷达来说，监视处理就是在雷达覆盖范围内对所有飞机进行目标定位，并向用户传送该信息。 故传统的SSR (Secondary Surveill

23、ance Radar) 工作原理如下: 雷达向飞机发送识别询问（A模式）和高度询问（C模式）。 所有在雷达天线主瓣上的飞机将收到该询问。 这些飞机就对该询问信息进行应答。 对询问进行检测并应答的机载设备称为应答机，S模式雷达可对S模式应答机和非S模式应答机进行监视。而S模式应答机也能对常规的询问模式进行如常规非S模式应答机一般的应答，故S模式是完全兼容于常规二次雷达系统的，在S模式下，这种询问与应答的功能得到了加强，例如每架飞机都能进行选择性的询问，而在询问与应答中则可传输更多的信息，并且每架飞机都有一全球唯一的24位地址码。,S模式原理介绍,为实现选择询问的功能，询问时间被分成了两段，分别称

24、为：全呼（AC）和选呼（RC），这两种询问方式是交替进行的。 在全呼周期内，雷达将询问所有的飞机以识别它们，同时获取它们的S模式地址码。一旦取得各飞机的地址码，雷达将对相应的飞机进行选择询问，而在选呼状态下的飞机将不应答全呼询问， 为使多路雷达捕获同一飞机，每台雷达将被赋予一个II编码 (Interrogator Identifier Code).此编码将置于全呼询问中，每套雷达用此编码来锁定某架飞机，但只有15II编码以共同时使用。 在全呼周期内，除获取S模式飞机地址码外，雷达同时对标准二次雷达应答机进行监控。 在选呼周期内，雷达将执行选择地址码的询问，并等待相应的应答。通过合理安排当前雷达

25、天线所及飞机的询问与应答时间表以优化选呼的时间。要注意的是雷达并不是在整个扫描周期内对某一指定的飞机进行选呼，因这会大大增加RF链路的噪声，故雷达是在飞机计划飞入的方向上才发送询问的。,S模式原理介绍,两种全呼/选呼模式如下所列： A类型模式 B类型模式,S模式原理介绍,模式A中，全呼与选呼是交替进行的，故询问重复频率为: 模式B中，每两次全呼才与一次选呼交替进行，故重复频率为： A/C模式的二次雷达询问是在每次全呼中进行交替的。 在增强的询问重复频率方式下，选呼的时间长度与所选的模式相关，即在一定的询问重复频率下，通过对比选呼时间来确定要选择的模式。而最小的选呼时间则由如距离等的运行参数所决

26、定。 例如，对于一台每分钟15转，询问重复频率为150 Hz，作用距离150 Nm的雷达来说，模式A中全呼时间是 2.5 ms (1.9 ms 为最大作用距离 0.6 ms 的处理与自检时间) ，而选呼时间是4.2 ms。,S模式原理介绍,增强的监视功能： S模式应答机具有256个称作BDS (Comm B Data Selector传输数据选择器)的寄存器，其中首个寄存器（0号寄存器）主要用于 AICB (Airborne Initiated Comm B空中初始传输）这些寄存器每个都有56位长度，且询问机对此随时可读 这些寄存器存有飞机的各项信息：飞行速度，朝向，天气信息，识别码及ACAS

27、 (Airborne Collision Avoidance System防撞系统)信息等， 部分BDS信息只与飞机 被录取时的位置相关，如飞行速度，天气信息等，其他的BDS则与此无关，如朝向，载量，识别码等。 这主要是为了增加常规目标报告的信息量，且部分BDS信息属监视处理的一部分，故这些BDS称为增强的监视信息。,S模式原理介绍,这些BDS信息的录取主要取决于询问机，有时只为了一个简单的询问周期，有时为了更为深入的应用，如航迹初始，次序检测等，（称为常规增强监视），甚至有时用户可根据需要通过单一询问增加额外信息的录取（称为直接增强监视）。 基于安全的原因，每台雷达对所有目标都进行常规增强监

28、视以获取相应的BDS信息，同时值得注意的是这些BDS信息也用于加强雷达本身的录取处理能力。 此增强的监视功能可应用于GICB (Ground Initiated Comm B)，故把其当成一地空数据链。,S模式原理介绍,相关监视网络SURVEILLANCE COORDINATION NETWORK (SCN) 通常，雷达间都有一些重叠覆盖区，在这种情况下，S模式的雷达可在这些 重叠区域通过相关监视网络实行目标相关。 基于安全考虑，所有雷达都应把其覆盖范围内的飞行目标航迹报告发送给ATCC用户，其中包含它们之间的重叠覆盖区。 若存在各雷达都使用了同一II编码（地面各雷达存在重叠覆盖区并具有同一I

29、I编码称作“CLUSTER组”），各雷达可通过相关监视网络交换航迹信息从而实现选呼模式下的飞机直接捕获，并消除航迹丢失的可能。 相关监视网络可使用中心处理法（例如，先定立一中心控制者，由其负责全部的相关处理）或使用分布处理法（各询问机可自我处理以达到一致）来实现目标相关。在这两种方法中，因存在故障或其它事件，雷达将依照监视网络的协议重新配置其覆盖范围和II编码以继续执行其监视任务。,S模式原理介绍,数据链 S模式二次雷达可通过其旋转天线实现数据链的功能 S模式的数据链又可定义成两个级别： 第一级别包含一台询问机与一台应答机间的通信，它能提供兼容数据链路层的服务，其速率可达1280BITS，另还

30、可提供三项额外的服务： 上传广播服务，它使询问机对所用波瓣内的飞机发送84BIT长信息。 下传广播服务，它使飞机对范围内的所有雷达发送56BIT长信息。 GICB服务，它使一台询问机录取一项BDS信息。,S模式原理介绍,在第一级别之上，ICAO定义了第二级别以提供一更完整和更能共同使用的服务，此第二级别为： 提供 ISO 8208 服务，遵循ATN规范。（被称为转换虚拟电路SVC服务） 提供S模式的特殊服务，如S模式的数据传输和S模式功能应用的优化。 允许用户透明管理多台询问机。（在单一询问机覆盖范围内的飞行时间是比较短的）,MODE S 信号格式,（1）A/C全呼询问模式（ATCRBS al

31、l call） A/C全呼询问模式在P3 脉冲后2.0s 处增加了P4 脉冲，当P4 脉冲宽度为0.8s 时，为模式A/C 全呼叫询问；其他同MODE A/C，S应答机不应答。,S模式询问模式：,类似A/C全呼，当P4 脉冲宽度为1.6s 时，为模式A/C/S 全呼叫询问。MODE A/C应答机发出4096种代码或高度信息， MODE S应答机发出目标身份和地址信息。,（2）A/C/S全呼询问模式（ATCRBS/MODE S all call）,S模式询问信号采用如图所示的信号形式，P6 脉冲的宽度为16.25s 或30.25s，分别包含56 或112 位询问信息，P5 脉冲通过控制通道发射，用于询问旁瓣抑制。,（3）S模式选择询问,数据通过DPSK来发射，其中二进制1代表相位变化180，而0代表相位没有变化。反相位置的间隔为0